Procesado de Señales e Imágenes Médicas
Laboratorio 002: Adquisición de imágenes, profundidad de Bit y Espacios de Color
Laboratorio 002: Adquisición de Imágenes — Profundidad de bit y espacios de color
Resultados de aprendizaje
Al finalizar, el estudiante será capaz de: 1. Explicar la relación entre la profundidad de bit \(b\), los niveles representables \(L=2^{b}\) y el paso de cuantización \(\Delta\) en una imagen digital. 2. Adquirir y documentar imágenes bajo condiciones controladas para analizar rango dinámico, histogramas y artefactos de cuantización (banding, posterización). 3. Convertir imágenes RGB a espacios HSV, CIE L*a*b* y Y’CrCb (formato OpenCV) e interpretar la semántica de canales e histogramas. 4. Cuantizar imágenes a distintas profundidades de bit y evaluar distorsión con \(\mathrm{MSE}\); discutir perceptualmente los cambios. 5. Justificar la elección de espacio de color según la tarea (robustez a iluminación, segmentación, compresión) con evidencia cualitativa y cuantitativa.
Conceptos clave (conciso)
- Cuantización. Para una señal \(x\in[X_{\min},X_{\max}]\), la cuantización uniforme escalar con \(b\) bits tiene \(L=2^{b}\) niveles y paso \(\Delta=\dfrac{X_{\max}-X_{\min}}{L}\). El error de cuantización \(e=x-\hat{x}\in[-\Delta/2,\Delta/2]\) (mid-tread).
- Rango dinámico. En \(b\) bits sin signo: \([0,\,2^{b}-1]\) (en 8 bits: \([0,255]\)).
- Espacios de color (OpenCV).
- BGR (lectura por defecto en OpenCV).
- HSV:
cv2.COLOR_BGR2HSV(H en [0,179] para uint8).
- Lab:
cv2.COLOR_BGR2LAB(uint8: \(L^\*\in[0,255]\), \(a^\*,b^\*\approx[0,255]\) con 128 ≈ neutro).
- YCrCb:
cv2.COLOR_BGR2YCrCb(orden de cromas: Y, Cr, Cb).
- BGR (lectura por defecto en OpenCV).
AdvertenciaOpenCV trabaja en BGR (no RGB) cuando lee/escribe imágenes con
cv2.imreadycv2.imwrite. Para mostrar correctamente en archivos guardados, no es necesario convertir a RGB; sin embargo, documente siempre el orden de canales.
Materiales
- Cámara de teléfono u ordenador. Fijar ISO, tiempo de exposición y balance de blancos. Preferir PNG/TIFF (sin pérdidas); si es posible, capturar RAW+JPEG.
- Escena estática con colores saturados y neutros (p. ej., cuadrícula de color y rampa en escala de grises en un monitor). Iluminación difusa y estable.
- Python 3.12 con:
opencv-pythonynumpy. No use otras librerías de imagen/visualización.
Protocolo de adquisición (documentar en el informe)
- Montaje de escena (iluminación constante). Fondo neutro; evitar brillos especulares.
- Conjunto A (referencia, 8 bits sin pérdidas). Guardar una imagen nítida y bien expuesta en PNG/TIFF.
- Conjunto B (bracketing de exposición). ±1 y ±2 EV respecto a la referencia para discutir recorte (clipping) vs. cuantización.
Mantenga fijos los parámetros de cámara entre capturas. Cambios en ISO o WB confunden los análisis de profundidad de bit y espacio de color.
Actividad 1 — Exploración inicial y chequeos
- Cargar la imagen de referencia. Inspeccionar forma, dtype, mínimos/máximos usando únicamente OpenCV.
- Estimar el uso efectivo de bits contando valores distintos por canal.
- Cuente cuantos pixeles hay, por cada canal y nivel del canal
Actividad 2 — Reducción de profundidad de bit y calidad (MSE)
-Explique que es el error cuadrático medio (MSE, por sus siglas en inglés) y la relación señal a rudio pico (PSNR, por sus siglas en inglés), Cuantice la imagen BGR de referencia a \(b\in\{1,2,\dots,7\}\) bits (por canal). Para cada \(b\):
- Calcule \(\mathrm{MSE}\) y \(\mathrm{PSNR}\) respecto a la referencia ($b=8).
- Genere y guarde la imagen cuantizada y un mapa de error visual (colormap).
Actividad 3 — Transformaciones de espacio de color y semántica de canales
- Convertir la imagen de referencia a HSV, Lab y YCrCb (OpenCV).
- Cuantizar solo un canal a \(b\in\{2,4\}\) (mantener los otros en 8 bits), revertir a BGR y guardar resultados.
- Comparar perceptualmente artefactos entre cuantizar luminancia (Y) y crominancias (Cr/Cb), y entre canales de HSV/Lab.
Entregables
- Informe Quarto (HTML/PDF) con:
- Protocolo de adquisición, metadatos y fotos de la escena.
- Resultados de Actividades 1–3 (figuras, histogramas, tablas).
- Tabla que resuma qué espacio/canal soporta mayor cuantización con artefactos mínimos (justifique).
- Tabla con MSE vs. \(b\) (sin PSNR).
- Protocolo de adquisición, metadatos y fotos de la escena.
- Carpeta reproducible con código e imágenes originales (preferir PNG/TIFF).
Rúbrica de evaluación para exposiciones orales (10 minutos)
Formato: 10 minutos de presentación + 2–3 minutos de preguntas. Puntuación total: 100 puntos.
| Criterio | Peso | Excelente (A) (7puntos) | Bueno (B) (5puntos) | A mejorar (C) (3puntos) | Insuficiente (D/E) (0puntos) |
|---|---|---|---|---|---|
| Estructura y narrativa | 15 | Objetivo, método y resultados se articulan con coherencia; introducción y cierre precisos en tiempo. | Secuencia mayormente clara con leves transiciones débiles. | Orden irregular; faltan transiciones clave. | Desorganizada; propósito no se comprende. |
| Rigor técnico | 25 | Definiciones y ecuaciones (\(L=2^{b}\), \(\Delta\), \(\mathrm{MSE}\)) correctas; supuestos declarados y validados. | Menores imprecisiones sin afectar conclusiones. | Varias imprecisiones o supuestos no justificados. | Errores conceptuales graves o confusión sostenida. |
| Metodología y adquisición | 15 | Parámetros de cámara controlados; protocolo replicable; evidencia fotográfica clara. | Control adecuado con una omisión menor. | Control parcial; documentación incompleta. | Sin control de variables; documentación escasa. |
| Análisis y resultados | 20 | Comparaciones entre espacios (HSV/Lab/YCrCb) con figuras pertinentes; conclusiones sustentadas. | Análisis correcto pero poco profundo o con pocas figuras. | Análisis superficial; conclusiones poco justificadas. | Sin análisis; afirmaciones sin evidencia. |
| Visualización | 10 | Figuras legibles, ejes/leyendas correctas (en imágenes generadas con OpenCV); mapas de error bien presentados. | Visualización adecuada con detalles mejorables. | Gráficos confusos o mal rotulados. | Visualizaciones ausentes o incorrectas. |
| Gestión del tiempo | 10 | Culmina en 9–10 min; distribuye tiempo equilibradamente. | Leve desviación (±1 min). | Desviación moderada (±2 min). | Desviación severa (>±2 min) o no concluye. |
| Claridad y comunicación | 5 | Lenguaje técnico claro, voz y ritmo adecuados, contacto visual. | Generalmente claro con momentos de ambigüedad. | Dificultades frecuentes de expresión. | Incomprensible o lectura de diapositivas. |
Recomendaciones de preparación (no evaluadas, pero sugeridas):
- Ensayar con cronómetro (marcas en 3–6–9 min).
- Limitar texto por diapositiva; priorizar comparativas claras (antes/después, por espacio y por \(b\)).
- Anticipar dos preguntas técnicas (supuestos y limitaciones).